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2020-05-02 22:25:44
[实验目的]
1.学习测量声波在空气中的传播速度
2.进一步掌握示波器、低频信号发生器的使用方法
3.复习使用逐差法处理数据[实验仪器]
1.示波器
2.信号发生器
3.声速仪[实验原理]
声速V、频率f和波长λ之间的关系式为V=fλ。
如果能用实验方法测量声波的频率f和波长λ,即可求得声速V。
常用的测量声速的方法有两种:驻波法和行波法。
驻波法测波长:
由声源发出的平面波经经前方的平面反射后,入射波与反射波叠加,它们的波动方程分别是:
y1=Acos2π(ft-x/λ) y2=Acos2π(ft+x/λ+π)
叠加后合成波为:
y=(2Acos2πX/λ)cos2πft
各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:
X=+-nλ/2 n=0,1,2,3……
各点振幅最小,称为波节,对应的位置:
X=+-(2n+1)λ/4 n=0,1,2,3……
因此只要测得相邻两波腹或波节的位置Xn、Xn-1即可得波长。
相位比较法测波长:
从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一同一时刻S1与S2处有一相位差:Θ=2πx/λ,其中λ是波长,x为S1和S2之间距离。
因为x改变一个波长时,相位差就改变2π,利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。
[数据表格]
1、测量数据填写下表:以示波器屏上呈现直线时为起点,缓慢移动换能器的位置,依次记录屏上每次出现直线时所对应10个数值;再缓慢地反方向调节,记录出现直线时所对应的10个值。用逐差法处理数据,计算出波长。
信号发生器输出信号的频率(单位:Hz)=
根据表中数据,计算超声的波长、声速,过程如下:
x6-x1=74.51-51.22=23.29 mm
x7-x2=79.19-55.89=23.30 mm
x8-x3=83.78-60.50=23.28 mm
x9-x4=88.47-65.20=23.27 mm
x10-x5=93.10-69.85=23.25 mm
x的平均值=23.278 mmλ=(2/5)* x的平均值=9.31 mm
v=f* λ=36.49*9.31=339.8m/s
计算后得出波长为(单位:mm)=9.31
声速为(单位:m/s)=339.8[分析讨论]
1、相位比较法测量声速时,选择什么样的李萨如图形进行测量?为什么选择这种类型的图形?
采用相位比较法进行测量时需要判断相位差,通过示波器观察李萨茹图形可以判断相位差。李萨茹图形可以由两个相互垂直的简谐振动的叠加形成。因此,为了在示波器上观察到李萨茹图形,发射换能器的输入信号和接收换能器的输出信号必须一个作为示波器的“Y”输入,另外一个作为“X”输入。
实验中,可以将发射换能器的输入信号接示波器的“Y”输入,将“Y:X”旋钮拉出,接收换能器的输出信号接“X”输入。应当调节Y的两个通道的灵敏度选择开关以及“X”和“Y”位移旋钮,可以在示波器上观察完整的李萨如图形。实验中由于输入示波器的是频率严格一致两个信号,因此李萨如图形一般是稳定的椭圆。当相位差为0或π时,以某一个直线位置作为测量的起点,相位差每变化π即距离变化半个波长,李萨如图形从斜率为正或负的直线变为负或正的直线。
2、形成驻波的条件是什么?两压电换能器的端面为什么要平行?
传播方向相反的两列简谐相干波叠加得到的振动称为驻波。
形成驻波的条件:两列传播方向相反、振动方向相同、频率相同,在各空间点保持固定的相位差的间谐波相遇产生干涉。
若两压电换能器的端面不平行,超声波在两不平行平面之间往返反射,入射波与反射波则不平行,得不到两列传播方向相反的简谐相干波,不能产生驻波现象。所以,两压电换能器的端面要保持互相平行。3、在各种不同的介质中声速是否相同?如何测量超声波在水、油或其他液体中的声速。
声音在不同介质中的传播速度不同。可以利用超声光栅测定液体中的声速 。
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声速的测量实验报告(90-95分)
2021-01-14 12:07:412、学习用逐差法处理数据,并对结果的不确定度进行分析。3、通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能并培养综合使用仪器的能力。二.实验仪器[线上学习不用写]本实验的主要仪器有:示波器、信号发生器和声速仪三....一.实验目的
[线上学习不用写]
1、用共振干涉法和相位比较法测量空气中的声速。
2、学习用逐差法处理数据,并对结果的不确定度进行分析。
3、通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能并培养综合使用仪器的能力。
二.实验仪器
[线上学习不用写]
本实验的主要仪器有:示波器、信号发生器和声速仪
三.实验原理
[线上学习不用写]
波速与波长、频率有如下关系:,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共振干涉法)和行波法(相位比较法)测量。上图是超声波测声速实验装置图。从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差:,其中l是波长,x为S1和S2之间距离)。因为x改变一个波长时,相位差就改变2p。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。
四.实验内容
[线上学习不用写]
用相位法测波长和声速。
(1)按相位法测声速原理,正确连线。
(2)信号发生器调节,选择超声波频率,约35KHZ,选择合适的波幅,输入正弦波。
(3)调整信号发生器谐振频率,移动尺的游标(接收换能转换器S2固定其上)使换能转换器S2和S1端面距离5cm左右,调节低频信号发生器输出的正弦幅度,同时调整接收端的示波器,使示波器屏幕上有适当的信号幅度,然后移动游标尺寻找信号幅度最强的位置,找到后,调节信号发生器的输出频率,使示波器上的信号幅度最大,微调输出频率,使示波器的信号幅度最大。可适当调节v/tiv旋钮,以寻找本系统的准确的谐振频率f。
(4)调节示波器使屏上出现李萨如图形,缓慢调节移动尺,增加或减少移动尺间距(改变两输入波的相位差),屏幕反复出现李萨如图形,每移动半个波长就会出现直线图形。
(5)测量数据,从屏上直线出现为起点,缓慢增加移动磁鼓的位置,依次记录下屏上每次出现直线时所对应的X1,X2,…,X10共10个值;再缓慢地减少间距X,记录下次出现直线时所对应的X1’,X2’,…,X10’共10个值。用逐差法处理数据,计算出波长。
(6)利用公式V=f×λ,计算声速。
用驻波法(或共振干涉法)测声速。
(1)按驻波法测声速原理,正确连线。
(2)信号发生器调节,选择超声波频率,约35KHZ,选择合适的波幅,输入正弦波。
(3)调整信号发生器谐振频率,移动尺的游标(接收换能转换器S2固定其上)使换能转换器S2和S1端面距离5cm左右,调节低频信号发生器输出的正弦幅度,同时调整接收端的示波器,使示波器屏幕上有适当的信号幅度,然后移动游标尺寻找信号幅度最强的位置,找到后,调节信号发生器的输出频率,使示波器上的信号幅度最大,微调输出频率,使示波器的信号幅度最大。可适当调节v/tiv旋钮,以寻找本系统的准确的谐振频率f。
(4)调节移动尺,观察示波器的信号幅度变化,了解波的干涉。
(5)测量数据,从出现两次半波长(示波器上显示信号幅度最大处(波幅处))为起点,记下读数,缓慢增加移动磁鼓的位置,依次记录下每次信号幅度最大时移动磁鼓的位置X1,X2,…,X10共10个值。再缓慢地减少间距X,记录下次出现信号幅度最大时移动磁鼓的位置X1’,X2’,…,X10’共10个值。用逐差法处理数据,计算出波长。
(6)利用公式V=f×λ,计算声速。
五.原始数据
1.用相位法测量波长和声速
信号发生器输出信号的频率(Hz)= 35100
内容
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
增加Xn(mm)
42.30
47.44
52.38
57.66
62.10
67.4
72.22
77.46
82.18
87.43
减小Xn’(mm)
42.41
47.50
52.10
57.62
62.15
67.50
72.39
77.42
82.10
87.40
平均值AvgXn(mm)
42.36
47.47
52.24
57.64
62.13
67.47
72.31
77.44
82.14
87.42
2.用驻波法测量波长和声速
信号发生器输出信号的频率(Hz)= 35000
内容
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
增加Xn(mm)
57.20
62.15
67.33
72.14
77.39
82.50
87.22
92.38
97.46
102.15
减小Xn’(mm)
57.13
63.20
67.40
72.20
77.51
82.42
87.38
92.10
97.42
102.10
平均值AvgXn(mm)
57.17
62.68
67.37
72.17
77.45
82.46
87.30
92.24
97.44
102.13
六.数据处理
用逐差法处理数据
1.相位法
y=[(AvgX6-AvgX1)+(AvgX7-AvgX2)+(AvgX8-AvgX3)+(AvgX9-AvgX4)+(AvgX10-AvgX5)]*1/5= 23.9 mm
23.9 x 2/5 = 9.56 mm
9.56 x 35000 x 0.001=344.6 m/s
室温下干燥空气的声速
1.12%
2.驻波法
y=[(AvgX6-AvgX1)+(AvgX7-AvgX2)+(AvgX8-AvgX3)+(AvgX9-AvgX4)+(AvgX10-AvgX5)]*1/5= 24.65 mm
24.65 x 2/5 = 9.86 mm
9.86 x 35000 x 0.00 1= 345.1 m/s
室温下干燥空气的声速
0.96%
七.思考题
1. 固定两换能器的距离改变频率,以求声速,是否可行?
不可行。因为只有改变频率f,而且当声波频率接近换能器的固有频率的时候,才能引起共振,观测到明显的振动,由于换能器的固有频率是一个定值,若谐振很小,就无法确定入,从而无法得到声速。
八.实验总结
实验用相位法测得的声速为344.6 m/s,用驻波法测得的声速为345.1m/s,并且两种方法测得的数值与真实值比较,误差在能接受的范围之内,说明本次实验比较成功。
实验注意事项:
1、实验前要认真阅读实验仪器操作说明,并清除各个仪器的操作规程。合理正确的使用。
2、实验中应使声波频率与压电陶瓷换能器的共振频率一致,这时得到的电信号最强。压电陶瓷换能器作为接收器的灵敏度也最高。
3、实验中要时刻注意示波器上图形的变化,不能因图形变化过度而使丝杆回转。
实验心得:
通过本次实验我学会了用共振干涉法和相位比较法测量空气中声速的基本原理,学会了用逐差法处理数据并对结果的数据进行进一步的分析,通过本次实验,我对声速的测量这个实验有了更进一步的理解和体会。
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声速的测量数据处理代码
2021-11-23 19:57:02l1=[100.26,95.46,90.63,85.47,80.91,76.15,71.59,66.88,61.98,57.27,52.61,47.83,43.06,38.24,33.56,28.71] #共振干涉法 l2=[100.14,95.56,90.37,86.08,81.26,76.44,71.8,67.03,62.12,57.56,52.76,48.07,43.28,38....#说明,我的距离都是负数,所以你们如果是正数需要修改for循环的内容 l1=[100.26,95.46,90.63,85.47,80.91,76.15,71.59,66.88,61.98,57.27,52.61,47.83,43.06,38.24,33.56,28.71] #共振干涉法 l2=[100.14,95.56,90.37,86.08,81.26,76.44,71.8,67.03,62.12,57.56,52.76,48.07,43.28,38.44,33.79,28.87] #相位比较法 l3=[34.71,28.37,22.08,16.92] #时差法 t=[354,372,388,404] f=[36378,36378,36378,36379,36378] #谐振频率 T=23.4 #室温 ######以下内容根据数据修改########## sum1=0 sum2=0 dL1=[] dL2=[] f1=sum(f)/5 vr=331.45+0.59*T print('Li+8-Li分别为') for i in range(8): dL1.append(l1[i]-l1[i+8]) sum1+=l1[i]-l1[i+8] print(l1[i]-l1[i+8],end=' ') print('\nLi+8-Li分别为') for i in range(8): dL2.append(l2[i]-l2[i+8]) sum2+=l2[i]-l2[i+8] print(l2[i]-l2[i+8],end=' ') L1=sum1/8 L2=sum2/8 print('\n△L分别为 '+f'{L1} {L2}') r1=sum1/32 r2=sum2/32 print('λ分别为 '+f'{r1} {r2}') v1=f1*r1*0.001 v2=f1*r2*0.001 print('测量声速为 '+f'{v1} {v2}') E1=(v1-vr)/vr*100 E2=(v2-vr)/vr*100 print("E分别为 "+f'{round(E1,2)}% {round(E2,2)}%') ufa=(((f[0]-f1)**2+(f[1]-f1)**2+(f[2]-f1)**2+(f[3]-f1)**2+(f[4]-f1)**2)/20)**0.5 ufb=1/(3)**0.5 ufc=((ufa)**2+(ufb)**2)**0.5 ufr=ufc/f1*100 print('频率不确定度a,b,c,r分别为 '+f'{ufa} {ufb} {ufc} {ufr}%') uLa=(((dL1[0]-L1)**2+(dL1[1]-L1)**2+(dL1[2]-L1)**2+(dL1[3]-L1)**2+(dL1[4]-L1)**2+(dL1[5]-L1)**2+(dL1[6]-L1)**2+(dL1[7]-L1)**2)/56)**0.5 uLb=0.02/(3)**0.5 uLc=((uLa)**2+(uLb)**2)**0.5 uLr=uLc/L1*100 print('共振干涉法△L不确定度a,b,c,r分别为 '+f'{uLa} {uLb} {uLc} {uLr}%') uvr1=((ufc/f1)**2+(uLc/L1)**2)**0.5*100 uvc1=uvr1*v1/100 uLa=(((dL2[0]-L2)**2+(dL2[1]-L2)**2+(dL2[2]-L2)**2+(dL2[3]-L2)**2+(dL2[4]-L2)**2+(dL2[5]-L2)**2+(dL2[6]-L2)**2+(dL2[7]-L2)**2)/56)**0.5 uLb=0.02/(3)**0.5 uLc=((uLa)**2+(uLb)**2)**0.5 uLr=uLc/L1*100 print('相位比较法△L不确定度a,b,c,r分别为 '+f'{uLa} {uLb} {uLc} {uLr}%') uvr2=((ufc/f1)**2+(uLc/L2)**2)**0.5*100 uvc2=uvr2*v2/100 print('共振干涉法v不确定度r,c分别为 '+f'{uvr1}% {uvc1}') print('相位比较法v不确定度r,c分别为 '+f'{uvr2}% {uvc2}') v3=[] for i in range(3): v3.append((l3[i]-l3[i+1])/(t[i+1]-t[i])*1000) print('时差法测量声速为 '+f'{v3}') print('平均声速为 '+f'{sum(v3)/3}') print('相对百分误差为 '+f'{(sum(v3)/3-vr)/vr*100}%')
效果图如下
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超声波测声速实验报告 天津科技大学
2020-05-11 22:40:53了解驻波法和相位比较法测声速。 [实验仪器] 示波器、信号发生器和声速测试仪。 [实验原理] 由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能...声速的测量实验报告
班级 186101 组 A 姓 名 *** 学号 18101306 实验成绩[实验目的]
- 学会测量超声波在空气中传播速度的方法;
- 理解驻波和振动合成理论;
- 学会逐差法进行数据整理;
- 了解驻波法和相位比较法测声速。
[实验仪器]
示波器、信号发生器和声速测试仪。
[实验原理]
由波动理论可知,波速与波长、频率有如下关系:,只要知道频率和波长就可以求出波速。本实验通过低频信号发生器控制换能器,信号发生器的输出频率就是声波频率。声波的波长用驻波法(共振干涉法)和行波法(相位比较法)测量。下图是超声波测声速实验装置图。
- 驻波法测波长
由声源发出的平面波经前方的平面反射后,入射波与反射波叠加,它们波动方程分别是:
叠加后合成波为:
各点振幅最大,称为波腹,对应的位置:
各点振幅最小,称为波节,对应的位置:
因此只要测得相邻两波腹(或波节)的位置、即可得波长。- 相位比较法测波长
从换能器S1发出的超声波到达接收器S2,所以在同一时刻S1与S2处的波有一相位差:,其中是波长,x为S1和S2之间距离。因为x改变一个波长时,相位差就改变2。利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。
[数据表格]
1、 测量数据填写下表:以示波器屏上呈现直线时为起点,缓慢移动换能器的位置,依次记录屏上每次出现直线时所对应10个数值;再缓慢地反方向调节,记录出现直线时所对应的10个值。用逐差法处理数据,计算出波长。
信号发生器输出信号的频率(单位:Hz)=
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
增大间隔时位置x(mm) 50.40 55.00 59.54 64.10 68.70 73.32 77.90 82.50 87.04 91.64
减小间隔时位置x(mm) 50.40 54.96 59.56 64.10 68.72 73.32 77.90 82.48 87.06 91.64
平均值(mm) 50.40 54.98 59.55 64.10 68.71 73.32 77.90 82.49 87.05 91.64
根据表中数据,计算超声的波长、声速,过程如下:波长大小λ=[(Avgx6-Avgx1)+(Avgx7-Avgx2)+(Avgx8-Avgx3)+(Avgx9-Avgx4)+(Avgx10-Avgx5)]/25 * 2
声速v=f*λ
计算后得出波长为(单位:mm)=9.23
声速为(单位:m/s)=340.5
[分析讨论]
1、相位比较法测量声速时,选择什么样的李萨如图形进行测量?为什么选择这种类型的图形?选择恰好为一条倾斜直线时测量,因为相比于其他图形更容易观测,而且每出现一个倾斜直线,s1和s2距离改变了半个波长,容易计算。
2、形成驻波的条件是什么?两压电换能器的端面为什么要平行?
两列传播方向相反、振动方向相同、振幅相同、频率也相同的平面简谐波叠加会形成驻波。发射换能器发送的能量是垂直发射面传播的,接受换能器接受的能量是垂直接受面接受的,如果不让两面的中心垂线对正,传送的能量就有损失。
3、在各种不同的介质中声速是否相同?如何测量超声波在水、油或其他液体中的声速。
介质不同,声速不一定相同。可以利用超声光栅测定水、油或者液体中的声速。 -
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大学物理实验教程 [沈岩,苏玉玲主编] 2014年版
2021-07-19 00:46:22大学物理实验教程作者:沈岩,苏玉玲主编出版时间:2014年版丛编项:高等学校物理实验教学示范中心系列教材内容简介...《大学物理实验教程/高等学校物理实验教学示范中心系列教材》系统地介绍了误差理论与数据处... -
大学物理实验教学大纲
2021-07-11 02:46:52七、仪器设备及注意事项 仪器设备:电子示波器等 注意事项:注意爱护设备及人身安全 八、实验项目的设置及学时分配 理论教学:3学时,内容:实验数据处理;实验教学:57学时,实验项目见下表 序号 实 验 项 目... -
15_试卷(光学,大学物理实验)_doc_大学课件预览_高等教育资讯网
2020-12-23 09:22:072.在光杠杆放大法测量钢丝的微小伸长量时,测量公式为=,式中R表示 到望远镜叉丝平面之间的距离,它可由R= H(上下视距丝读数差)确定。3.在声速测量中,为了使发射换能器谐振,要调节信号源的输出频率,判... -
燕山大学大物实验
2020-01-20 21:36:00大物实验 不断更新中。。。 ...用冷却法测金属比热容 长度测量仪器与训练 这里附赠一个exe哦,在长度测量仪器于训练这一章中,用电脑打开有惊喜! 长度测量(用电脑打开) ps:若选择下载方式,请... -
用于通过声波捕获显示视觉,触觉和音频的全息显示(A volumetric display for visual, tactile and audio ...
2020-09-12 20:47:32在线内容 任何方法,其他参考资料,Nature Research报告摘要,源数据,扩展数据,补充信息,确认书,同行评审信息; 作者贡献和竞争利益的详细信息; 有关数据和代码可用性的声明,请访问... -
我是学计算机的,我想问一下怎么考结构工程师
2021-06-25 01:46:51循环过程 热机效 率 热力学第二定律及其统计意义 可逆过程和不可逆过程 熵 2.2 波动学 机械的产生和传播 简谐波表达式 波的能量 驻波 声速 声波 超声波 次声波 多普勒效应 2.3 光学 相干光的获得 杨氏双缝干涉 ... -
青岛科技大学大学物理实验报告
2021-05-22 05:45:20青岛科技大学大学物理实验报告Tag内容描述:1、北京科技大学实验报告 磁场分布 实验目的 原理及实验步骤 见预习报告 实验数据 附后 及其处理 1 不同磁极头间隙内的磁场分布特点 情形如图所示 根据数据画出变化趋势图... -
5.9总结
2021-05-09 16:15:22最后提出两种基于干涉条纹的深度估计方法,适用于两种不同情况:1)声速剖面精确已知,并且声源深度固定。在这种情况下提出了一个代价函数,该函数量化不同声源深度下 STE 方法计算的条纹迹与测量的干涉条纹的匹配...